V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование искрового разряда – молнии и его использование
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1.Введение.
Данный исследовательский проект направлен на исследование условий возникновения искрового разряда – молнии и возможности использования этой энергии.
Тема: Исследование свойств искрового разряда и его применение
Проблема: «Позавчера мы ничего не знали об электричестве, вчера мы ничего не знали об огромных резервах энергии, содержащихся в атомном ядре, о чем мы не знаем сегодня?»/Луи де Бройль/
Актуальность: Человек научился использовать энергию воды, строя гидроэлектростанции, энергию атома, строя атомные электростанции, энергию ветра, строя ветровые электростанции. Широко используется солнечная энергия, аккумулируемая с помощью солнечных батарей.
В будущем человечество будет искать и другие альтернативные источники энергии. Рано или поздно человек научится использовать энергию искрового разряда - молнии, будет строить грозовые электростанции. Во многих странах уже проводят такие исследования, например в США. В нашей стране тоже работают над проблемами использования искрового разряда. В этом состоит актуальность данной работы. Грозовая энергетика – это пока лишь теоретическое направление. Суть методики заключается в поимке энергии молний и перенаправлении ее в электросеть. Данный источник энергии возобновляем и относится к альтернативным, т.е. экологически безопасным.
Молния является чистой энергией, и ее применение будет не только устранять многочисленные экологические опасности, но также будет значительно уменьшать дороговизну производства энергии. Энергия молнии является возобновляемым источником и относится к альтернативным источникам энергии.
Гипотеза: Молния может стать экологически безопасным источником дешевой энергии и будет в будущем использована в разных областях жизни общества.
Цель: Исследование условий возникновения искрового разряда и возможности использования энергии искрового разряда для нужд энергетики.
Задачи:
Найти и изучить информацию о молнии, её свойствах
Подготовить необходимое оборудование.
Провести опыты.
1. Получить искровой разряд с помощью электростатической машины, оценить максимальное напряжение пробоя
2. Исследовать условия возникновения искрового разряда в преобразователе напряжения
3. Оценить пробивные возможности искрового разряда твердых тел (бумаги, фольги).
4. Получить искровой разряд – молнию с помощью трансформатора Тесла, оценить напряжение между электродами, а так же действие ионизатора на возникновение и протекание разряда.
4)Вести наблюдения и сделать анализ.
В работе были использованы известные методы исследования:
1. Теоретические методы - это гипотетический (изучение с помощью научной гипотезы)
и общелогические методы (анализ, синтез, аналогия, обобщение)
2. Эмпирические методы - это, прежде всего эксперимент (исскуственное воспроизведение явлений и процессов в заданных условиях, в ходе, которого проверяется гипотеза), наблюдение, сравнение, измерение, описание
1 этап – Организация исследования
1)Подбор литературы и дополнительной информации, изучение и оформление найденных материалов.
Много интересной и полезной для меня информации я нашла в сети Интернет, изучила большое количество статей об электрических разрядах.
1. Я знаю, что электрический заряд – это физическая величина, характеризующая способность тел вступать в электромагнитные взаимодействия. Измеряется в Кулонах.
А электрическое поле – это особая форма материи, существующая вокруг тел или частиц, обладающих электрическим зарядом, а также в свободном виде в электромагнитных волнах.
2. Я знаю, что такое молния - это гигантский электрический искровой разряд в атмосфере, обычно может происходить во время грозы, проявляющийся яркой вспышкой света и сопровождающим её громом. Совокупность импульсов – пробоев воздушного промежутка между грозовым облаком и землёй, происходящих в виде искрового разряда.
История исследования молнии.
Уже в 17-ом веке высказывались предположения, что молния – это гигантская искра, ничем, кроме размеров, не отличающаяся от искры, проскакивающей между двумя разноимённо заряженными шариками. А проскакивает молния между двумя разноименно заряженными грозовыми облаками или между грозовым облаком и землей. Исследования электричества проводились во многих странах, но наибольший вклад в создание теории атмосферного электричества внесли российские академики Михаил Васильевич Ломоносов и Георг Рихман. Электрическая природа молнии была раскрыта в исследованиях американского физика Б. Франклина, по идее которого был проведён опыт по извлечению электричества из грозового облака. Бенджамин Франклин – выдающийся американский политический деятель, занимался физикой всего семь лет, но успел сделать очень много. Франклин провёл всем известный опыт с воздушным змеем, запуская его при приближении грозовых туч. К верхнему концу вертикальной планки крестовины змея он прикрепил заостренную проволоку. Как только змей оказывался под грозовой тучей, эта проволока начинала извлекать из тучи электрический огонь. В 1752 г. Было доказано, что грозовые облака действительно сильно заряжены. Михаил Васильевич Ломоносов и его друг Георг Рихман в 1752-1753 гг. совместно проводили исследования атмосферного электричества, с помощью изобретенного Рихманом электрического указателя – прообраза электрометра. Рихман установил электрическое состояние атмосферы в отсутствие грома и молнии. А Ломоносов разработал теорию образования атмосферного электричества, происхождение которого он связывал с восходящими и нисходящими потоками воздуха. У себя дома Георг Рихман устроил экспериментальную установку по изучению грозовых разрядов - «громовую машину». 26 июля 1753 г. во время сильной грозы, когда ученый приблизился к электрометру «грозовой машины» на расстояние 30 см, неожиданно из толстого железного прута прямо в него ударил бледно-синий огненный шар величиной с кулак. Это была шаровая молния. Раздался оглушительный взрыв и Рихман упал замертво.
Ломоносов тяжело переживал смерть своего друга и сделал все от него зависящее, чтобы имя Георга Рихмана навсегда осталось в истории науки.
В 1989 году был обнаружен особый вид молний — эльфы, молнии в верхней атмосфере. В 1995 году был открыт другой вид молний в верхней атмосфере — джеты.
Искровой разряд и условия его возникновения
При большой напряженности электрического поля между электродами (около 3 106 В/м) в воздухе при атмосферном давлении возникает искровой разряд. Искровой разряд, в отличие от коронного, приводит к пробою воздушного промежутка. При искровом разряде в газе возникают каналы ионизированного газа – стриммеры, имеющие вид прерывистых ярких зигзагообразных нитей.
Нити пронизывают пространство между электродами и исчезают, сменяясь новыми. При этом наблюдается яркое свечение газа и выделяется большое количество теплоты. Вследствие нагревания давление газа в стриммерах сильно повышается. Расширяясь, газ излучает звуковые волны, сопровождающие разряд.
После пробоя разрядного промежутка напряжение на электродах сильно падает, так как в момент разряда проводимость газа вследствие его ионизации резко возрастает. В результате, если источник напряжения маломощный, разряд прекращается. Затем напряжение снова повышается и т.д.
В образовании искрового разряда наряду с ионизацией с помощью электронного удара большую роль играют процессы ионизации газа излучением самой искры.
Напряжение пробоя понижается при воздействии на газ внешнего ионизатора. Если приложить к газовому промежутку напряжение, несколько меньшее пробивного, и внести в пространство между электродами зажженную газовую горелку, то возникает искра. Такое же действие оказывает и освещение отрицательного электрода ультрафиолетовым светом, или направить лазерный луч вдоль электродов, а так же другие ионизаторы.
Молния – гигантский электрический искровой разряд в атмосфере, обычно происходит во время грозы, проявляющийся яркой вспышкой света и сопровождающим ее громом. Ток в разряде молнии достигает 10 – 100 тысяч ампер, напряжение достигает сотен миллионов вольт. Средняя длина молнии 2.5 км, некоторые разряды простираются в атмосфере на расстояние до 20 км. Молнии также были зафиксированы на Венере, Юпитере, Сатурне и Уране. Наиболее часто молния возникает в кучево-дождевых облаках, тогда они называются грозовыми; иногда молния образуется в слоисто-дождевых облаках, а также при вулканических извержениях, торнадо и пылевых бурях.
Существуют две заряженные области в облаках, положительная и отрицательная, это две половины электрической цепи, отрицательный разряд стремится к положительному, и этот заряд называется Лидером, практически не видимый глазом человека из-за огромной скорости протекания и слабой яркости. Другой положительный заряд, Стример, стремится к отрицательному лидеру, и этот заряд очень яркий и долгий по времени удара молнии. Электрический заряд Лидер исходит в основном из облака, а Стример исходит из поверхности земли или другого облака с положительно заряженной областью. Молния это не один разряд, а более нескольких десятков пульсирующих разрядов, почему и видимое мерцание молнии считается одним разрядом ошибочно.
3. Я знаю, что конденсаторы– это устройство для накопления зарядаи энергии электрического поля.
Молния – это кратковременный энергетический всплеск, длительность которого равна долям секунды, и его нужно очень быстро осваивать. Для решения этой задачи нужны мощнейшие конденсаторы, которых еще не существует, а цена их, вероятно, будет очень высока. Можно применить и разнообразные колебательные системы с контурами 2-го и 3-го рода, позволяющие согласовывать нагрузку с внутренним сопротивлением генератора. Мощность разрядов также сильно отличается. Большинство молний – это 5-20 кА, но бывают всполохи силой тока в 200 кА, а каждый из них нужно привести к стандарту в 220 В и 50-60 Гц переменного тока.
Плотность заряженных ионов в 1 куб. м атмосферы низка, сопротивление воздуха велико. Соответственно «поймать» молнию сможет только ионизированный электрод, максимально приподнятый над поверхностью земли, но он сможет улавливать энергию только в виде микротоков. Если же поднять электрод слишком близко к наэлектризованным облакам, это может спровоцировать молнию, т.е. получится кратковременный, но мощный всплеск напряжения, который приведет к поломке оборудования молниевой фермы.
Несмотря на очевидные сложности идея создания молниевых ферм жива: очень хочется человечеству укротить природу и получить доступ к огромным возобновляемым запасам энергии.
4. Яузнала, что молния напрямую связана с плазмой. Пристально рассматривая многочисленные фотографии молний, полученные методом высокоскоростной съемки, мы приходим к выводу, что молния — это вовсе не лавина электрических зарядов, а полый плазменный канал, причем ток сосредоточен в его стенках. Становится ясна причина огромной, скорости обратного лидера молнии — яркого мерцания, которое возникает после того, как молния достигает земли во время так называемого основного процесса. Такой обратный лидер развивается как колебательный процесс внутри полой плазменной трубы, подобно колебаниям в замкнутом контуре. Это электрические колебания, скорость которых может быть несравнимо выше, чем у колебаний плотности воздуха.
5. Я изучила свойства плазмы:
1. Концентрация положительных и отрицательных частиц в плазме практически одинакова.
2. Высокая электропроводность – при высокой температуре плазма приближается к сверхпроводникам.
3. Плазма имеет сильное взаимодействие с электрическим и магнитным полем.
4. Каждая заряженная частица плазмы взаимодействует с большим числом заряженных частиц.
5. Плазма связана со свечением.
Эти свойства определяют качественное своеобразие плазмы, позволяющее считать её четвертым состоянием вещества.
6. Выписала для себя всё самое интересное.
2)Приобретение необходимого оборудования и веществ.
Мне понадобится: электростатическая машина, школьный преобразователь напряжения, источник питания.
2 этап – Экспериментальная работа с фотографиями основных работ
Описание исследований
Искровой разряд можно получить с помощью различных приборов.
Чтобы получить искровой разряд с помощью электростатической машины, ее нужно хорошо просушить.
Разведем шарики электростатической машины примерно на 2 см. После нескольких оборотов вращения ручки электростатической машины получаем искровой разряд. В электростатической машине механическая энергия вращения превращается в энергию искрового разряда. Постепенно, увеличивая расстояние между шариками электростатической машины получаем, что максимальное расстояние между шариками будет 55 мм. Напряжение пробоя составляет примерно 50 000 вольт.
Возьмем школьный преобразователь напряжения.
От источника питания 12 вольт он преобразует в 25 000 вольт. Расстояние между электродами можно менять. Установим между шариками преобразователя расстояние в 2 см.
При включении преобразователя возникает целая серия искровых разрядов.
Увеличиваем расстояние между шариками, разряды происходят реже и затем прекращаются. Значит, напряженность электрического поля стала меньше предельной, при которой происходит пробой искрового промежутка. Увеличим напряжение питания преобразователя, разряды возникают вновь, значит напряженность в искровом промежутке увеличилась и превысила напряжение пробоя. Увеличим расстояние между шариками до прекращения искрового разряда. Осветим искровой промежуток ультрафиолетовым излучением, серия разрядов возникает вновь. Значит в искровом промежутке, вследствие ионизации, появились ионы и электроны и возникает самостоятельный искровой разряд.
Помещая в искровой промежуток лист бумаги, картона, фольги
можно убедиться, что искровой разряд пробивает микроскопические отверстия,
отсюда вытекает возможность использования искрового разряда для механического воздействия на материалы, механическая обработка материалов интересует технологов.
Искровой разряд можно получить с помощью трансформатора Тесла.
При напряжении питания 12 В искровой разряд пробивает расстояние 105 мм, что соответствует напряжению между электродами примерно 100 000 В. При таком напряжении проскакивают электрические разряды очень похожие на молнии во время грозы.
Лидер каждого следующего разряда ищет и находит свой путь, свою траекторию, наблюдается пляска разрядов-молний.
Во время всех экспериментов с искровыми разрядами появляется характерный запах. При электрических разрядах образуется озон О3 , который насыщает воздух кислородом. Так же как после грозы легко дышится, ощущается чистый насыщенный кислородом воздух.
3 этап – Выводы и заключения
В результате проведенных исследований и измерений было установлено, что искровой разряд возникает в сильном электрическом поле если напряженность поля превысит 3х106 В/м. Проводилась оценка напряжения пробоя, которое зависит от влажности воздуха и уменьшается при действии ионизатора. Искровой разряд оказывает механическое действие на материалы и может применяться в технологиях обработки материалов.
Во всех приборах, с помощью которых получали искровой разряд, использовались или конденсаторы, как накопители электрической энергии, или колебательные системы. Поймать молнию во время грозы, сохранить ее некоторое время, преобразовать ее в другие виды, заманчиво, но пока трудноосуществимо, но я считаю в будущем, возможно.
Таким образом, в ходе исследования выдвинутая гипотеза подтвердилась: молния может стать экологически безопасным источником дешевой энергии и будет в будущем использована в разных областях жизни общества.
Исследование искрового разряда тема очень важная, интересная, как сама гроза. Исследование ее можно только на время прервать, а не закончить.
Даже одно из применений говорит о его важности. Присоединяя электроды к телу больного, врачи дают импульсный разряд электрического тока напряжением 2500 – 4000 В. Угасшее, было, сердце встрепенется и начинает работать, человек обретает жизнь.
Молниевые фермы пока являются мечтой. Они бы стали неиссякаемыми экологически безопасными источниками весьма дешевой энергии. Развитию данного направления энергетики препятствует ряд фундаментальных проблем: предсказать время и место грозы невозможно, молния – это кратковременный энергетический всплеск, длительность которого равна долям секунды, и его нужно очень быстро осваивать Для решения этой задачи нужны мощнейшие конденсаторы, которых еще не существует, а цена их, вероятно, будет очень высока
Несмотря на очевидные сложности идея создания молниевых ферм жива: очень хочется человечеству укротить природу и получить доступ к огромным возобновляемым запасам энергии.
4 этап – Оформление проекта
5 этап – Оформление презентации
Литература
1. Под ред. Академика Г.С. Ландсберга «Элементарный учебник физики» т.2 Учебник. М.: «Наука», 1973.
2. Мякишев Г.Я. ,Синяков А.З. «Физика. Электродинамика ». 10 - 11 класс. Учебник.-М.:Дрофа, 2012.
3. Под ред. А.А. Пинского «Физика» 10 класс.Учебник.-М.: «Просвещение», 2014.
4.Учебник физики за 10 класс/ Г.Я.Мякишева и Б.Б.Буховцева
5.Современный справочник школьника 5-11 классы – все предметы/А.Н. Роганин, К.Э. Немченко
6.О природе/ М.М. Балашов